De nieuwe Intel Meteor Lake cpu’s worden de eerste cpu’s die uit meerdere chiplets zullen worden samengesteld. Hierdoor ontstaan synergiën die chipontwerpers niet eerder konden benutten. Een nieuwe interfacenorm moet ontwerpers in staat stellen chiplet-assemblages te creëren zoals moederborden nu worden uitgerust met uitbreidingskaarten.
Wat wilt Intel precies gaan veranderen met de nieuwe cpu’s?
Tot nu toe bestonden processors voor pc’s meestal uit één enkele siliciumchip, de zogenaamde die. Zo’n single-die processor wordt ook wel monolithisch genoemd. Om verschillende varianten van deze processors te produceren, zijn verschillende matrijzen nodig. Zo heeft Intel voor de 12e Core i-generatie versies met acht, zes of twee krachtige (P-)kernen, die ook verschillen qua configuratie van de geïntegreerde gpu. Alle ontwerpen moeten afzonderlijk worden getest en gevalideerd, hoewel ze veel componenten delen. Dat geldt bijvoorbeeld voor de acht efficiënte E-kernen, maar ook de geheugencontroller, de PCIe-controller en de media- en displayblokken van de grafische eenheid.
Intel Meteor Lake chiplets
In de toekomst zal de modulariteit van functionele blokken een belangrijkere rol spelen in chipontwerpen. In plaats van monolithische dies, zal de volgende generatie Intel processors (de 14e generatie Intel processors, als Intel die naamgeving behoudt) gebaseerd zijn op modulaire chips. Hoewel de introductie op de markt niet voor eind 2023 gepland is, heeft Intel al een aantal details vrijgegeven. Meteor Lake zal bestaan uit vijf chiplets, die Intel “tiles” noemt en verdeelt in de categorieën CPU, GPU, I/O extender, SoC en base-tile.
De meerwaarde van een base-tile
De base-tile is vergelijkbaar met wat tot dusver bekend is als een interposer: een vrij grote siliciumchip die over het gehele oppervlak tussen het substraat en de chiplets zit.
Deze base-tile zorgt voor de bedrading tussen de tiles, voert datalijnen naar het substraat en stroom naar de afzonderlijke eilanden. Elke chiplet is op zich een spanningseiland, maar zelfs binnen een chiplet zijn er daarvan meerdere die afzonderlijk kunnen worden uitgeschakeld voor energiebesparing.
De base-tile bevat condensators die de signalen afvlakken. Hij zou ook geheugen- of schakelcircuits kunnen bevatten. Intel heeft nog niet aangegeven of dat zo is.
Productievoordelen van de nieuwe Intel cpu’s
Duidelijk is dat Intel makkelijker dan voorheen varianten kan creëren. Bij het ontwikkelen van een cpu-chiplet hoeft nog niet te worden bepaald welke gpu erbij komt. Eenzelfde cpu-gpu-combinatie kan worden gecombineerd met verschillende I/O-tiles om aangepaste varianten te creëren voor laptops (minder en zuinigere PCIe 4.0-lanes) en desktop-pc’s (meer lanes, snelle PCIe 5.0).
Verdeling van de chiplets in Intel Meteor Lake cpu’s
De exacte verdeling van functionele eenheden over chiplets is nog een raadsel. Volgens diagrammen en beelden van Intel zouden P- en E-kernen samen op de cpu-chiplet zitten. De centrale SoC-chiplet is echter ongewoon groot: in eerdere monolithische dies beslaan cpu- en gpu-kernen en cache het grootste deel van het chipoppervlak, terwijl controllers voor RAM, PCIe en USB minder ruimte innemen.
Zeker is dat de SoC-tile veel zal bevatten van wat traditioneel tot een grafische eenheid behoort. Voorbeelden zijn de media-engines, die cpu-kernen ontlasten bij het afspelen of opnemen van video’s, en de display-engines, die de eigenlijke grafische uitvoer verzorgen. Zelfs de SoC’s van vandaag schakelen shader-processors uit bij kantoorwerk of surfen op het web. In een chiplet-ontwerp zou dat met de hele gpu-tile kunnen.
Voor energiebesparing zou er nog meer in de SoC-chiplet ondergebracht kunnen worden, zoals energiezuinige E-kernen. De cpu-tile zou dan pas actief worden bij hogere computerbelasting. Dat past bij de benaming SoC Tile want System-on-Chip verwijst naar een ontwerp dat zelfstandig functioneel is. De combinatie van alle chiplets die samen Meteor Lake vormen, noemt Intel zoals gebruikelijk System on Package (SoP).
Intel Meteor Lake prestatieklassen
Intel wil de Meteor Lake SoP’s aanbieden in alle vermogensklassen die tot nu toe door monolithische processors werden gedekt. Hierbij gaat het om SoP’s van minder dan 10 watt tot meer dan 100 watt. Voor de hogere vermogensklassen belooft Intel grafische prestaties die vergelijkbaar zijn met die van losse grafische kaarten. Dankzij de chipletbenadering zijn er talloze mogelijkheden om dit te bereiken. Zo kan Intel, net als Apple bij de M1-familie, de geheugenbandbreedte vergroten door het aantal geheugenkanalen te verdubbelen of te verviervoudigen. Intel kan ook een Intel-cpu met een AMD-gpu samenbrengen in hetzelfde pakket, zoals het al deed in 2018 met de speciale Kaby Lake-G-serie, waarbij de GPU zijn eigen VRAM via HBM-geheugenstacks kreeg.
Van PCIe naar iCXL met de Intel Meteor Lake cpu’s
Bij Kaby Lake-G liep de communicatie tussen cpu en gpu door het substraat, via het klassieke PCIe. Bij Meteor Lake praten de cpu- en gpu-tiles met elkaar via iCXL. Dat is een Intel-aanpassing van Compute Express Link (CXL) voor korte signaalpaden. CXL is weer gerelateerd aan PCIe.
De overige tiles communiceren met elkaar via andere interfaces, wat opnieuw aantoont waarom chiplet-ontwerpen nog in de kinderschoenen staan. Iedereen die ermee aan de slag gaat moet ervoor zorgen dat alle onderdelen bij elkaar passen. Intel heeft al jaren voorbereidend werk gedaan met zijn Foveros-bouwpakket.
Ondersteuning van partners nodig
Om de voordelen van een chiplet-ontwerp ten volle te benutten, moet je ook partners aan boord krijgen. Dat geldt vooral wanneer die partners onderdelen moeten leveren. In het geval van Meteor Lake wordt gezegd dat alleen de base- en cpu-tile van Intel Fabs komen. De andere drie chiplets zijn afkomstig van ‘s werelds grootste contractfabrikant TSMC, Intels belangrijkste concurrent op het gebied van fabricagetechnologie.
Intel Meteor Lake cpu’s: Universal Chiplet Interconnect Express
Intel-CEO Pat Gelsinger heeft zich uitgesproken voor een sterkere samenwerking op het gebied van chiplets. Samen met TSMC, maar ook met Samsung, AMD, ARM en Qualcomm, heeft Intel een industriecomité opgericht om de nieuwe Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) standaard te ontwikkelen. UCIe is nauw verwant aan CXL (en dus PCI Express, of PCIe) en moet het bedrijven makkelijker maken om op maat gemaakte SoP’s te maken, bijvoorbeeld door ARM-kernen te combineren met een AMD-GPU en een Intel-FPGA.
Dit soort zeer gespecialiseerde systemen worden gebruikt door exploitanten van hyperscaledatacenters. Dit is dus ook de reden dat bedrijven zoals Google, Meta en Microsoft ook lid van het UCIe-comité zijn. In plaats van kant-en-klare servers te kopen, ontwikkelen deze bedrijven al lang hun eigen chips en voegen ze individuele versnellers toe aan hun eigen serverontwerpen. Zo voegt Google bijvoorbeeld zijn zelfontworpen TPU voor AI-modellen toe. Alles wat tot nu toe in een server via PCIe of CLX met elkaar communiceerde, kan in de toekomst worden samengevoegd in compactere SoP’s middels UCIe.
Gaat Intel ook eigen ontwerpen voor integratie aanbieden?
Op de vraag of Intel ook eigen ontwerpen voor integratie zal aanbieden, antwoordde Gelsinger bevestigend. In de toekomst zullen er bijvoorbeeld cpu’s en gpu’s onder het Intel-merk zijn zoals voorheen, maar ook overeenkomstige functieblokken of chiplets voor bedrijven die hun eigen SoP-ontwerpen willen. Intel levert momenteel al zijn Sapphire Rapid-cpu’s voor de DGX-servers die Nvidia ontwikkelt en op de markt brengt. Dat zal in de toekomst ook mogelijk zijn voor SoP’s.
Gelsinger is niet bezorgd dat dit de rol van Intel zal veranderen: verandering hoort bij de business. Sinds de komst van microprocessors 50 jaar geleden praat ook niemand meer over individuele flipflops.
